(57)【要約】【課題】  溶融炭酸塩形の燃料電池において反応ガスシールのシール部材のシール性を向上させること。【解決手段】  アノード１２とカソード１３と、アノード１２、カソード１３間に挟持された電解質板１４からなる第１セル１１と、第１セル１１を挟持するセパレータ２１、２２と、第１セル１１に供給する反応ガスの流路を構成するセパレータ２１、２２の厚さ方向に貫通する孔である内部マニホールド２１ａ、２２ａとを有する溶融炭酸塩形の燃料電池１０において、反応ガスが通過する内部マニホールド２１ａ、２２ａのガスシール構造がセパレータ２１、２２間に内部マニホールド２１ａ、２２ａを接続する非多孔質で絶縁性のセラミックス製の第１シール部材３１で構成され、第１シール部材３１はセパレータ２１、２２と機械的に接触しているが固着されていないこと。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードの２枚の電極と前記２枚の電極間に挟持された電解質板からなるセルと、前記セルの両面を挟持するセパレータと、前記セルに反応ガスを供給するためのガス流路としてセパレータの厚さ方向に貫通・形成された内部マニホールドと、２枚のセパレータ間に位置し、反応ガスが通過するように前記セパレータの内部マニホールド間を接続した内部マニホールドのガスシール構造とを有する溶融炭酸塩形の燃料電池において、
前記ガスシール構造が、非多孔質で絶縁性のセラミックス製シール部材で構成され、前記シール部材は前記セパレータと機械的に接触し固着されていないことを特徴とする溶融炭酸塩形の燃料電池。
【請求項２】
アノードとカソードの２枚の電極と前記２枚の電極間に挟持された電解質板からなるセルと、前記セルの両面を挟持するセパレータと、前記セルに反応ガスを供給するためのガス流路としてセパレータの厚さ方向に貫通・形成された内部マニホールドと、２枚のセパレータ間に位置し、反応ガスが通過するように前記セパレータの内部マニホールド間を接続した内部マニホールドのガスシール構造とを有する溶融炭酸塩形の燃料電池において、
前記ガスシール構造が、非多孔質で絶縁性のセラミックス製シール部材と、当該シール部材と前記セパレータ間に存在させ、且つ当該燃料電池の動作温度において揮発性が低く、反応ガスに対するシール性を発揮する液体とから構成されていることを特徴とする溶融炭酸塩形の燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の溶融炭酸塩形の燃料電池であって、
前記シール性を発揮する液体が、溶融炭酸塩であることを特徴とする溶融炭酸塩形の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融炭酸塩形の燃料電池に関し、特にセルに供給される反応ガスとなる燃料ガスおよび酸化剤ガスをセルに供給するそれぞれの流路を形成するシール部材のシール性を改良する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶融炭酸塩形の燃料電池は、単位電池となるセルをセパレータで挟むように積層した構造を有し、前記セパレータにはセルに供給する各反応ガスとなる燃料ガスおよび酸化剤ガスの各々の流路となる各内部マニホールドが形成されているタイプのものがある。このタイプの燃料電池では、一般的に反応ガス流路を形成すると同時に反応ガスが外部に漏れることを防ぐマニホールドリングが使用されている。
このマニホールドリングの従来技術として、まず、セラミックス製マニホールドリングをろう材もしくは高温接着剤などでセパレータに接合する第１の場合がある（例えば特許文献１参照）。また、セラミックス製マニホールドリングの締め付け力に対して復元性を有する金属製シールリングを組み合わせる第２の場合がある（例えば特許文献２参照）。さらに、多孔質セラミックスに溶融炭酸塩を含浸させたマニホールドリングを使用する第３の場合がある（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平７−２０１３５３号公報（第２頁、第３頁左欄）
【特許文献２】特開平７−２０１３５３号公報（第３頁右欄）
【特許文献３】特開２００２−３１３３７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上述の従来例では、以下のような問題点があった。すなわち、前記第１の場合では、昇温・降温による熱応力により、マニホールドリングの剥離や破損が起き反応ガスのシール機能が低下するという問題があった。
また、前記第２の場合では、部品点数が多く構造が複雑であり、さらに、金属製シールリングが溶融炭酸塩により腐食されて反応ガスのシール機能が低下するという問題があった。
さらに、前記第３の場合では、多孔質セラミックスの機械的強度が弱く割れが発生し、反応ガスのシール機能が低下するとともに、溶融炭酸塩による腐食により、多孔質セラミックスの焼結された粒子の径が大きくなって、粒子間の隙間が大きくなるという経時的変化により含浸された溶融炭酸塩の保持力が低下し、反応ガスのシール機能が低下し、その結果、反応ガスの燃料ガスと酸化剤ガスの混合、燃料ガスまたは酸化剤ガスの燃料電池の外部への漏れが発生し、燃料電池の出力が低下するという問題があった。
そして、これらの問題により溶融炭酸塩形の燃料電池の発電性能を維持できる時間すなわち燃料電池の寿命が短くなっていた。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上述の各問題を解決し、反応ガスのシール部材のシール性を改良した溶融炭酸塩形の燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、アノードとカソードの２枚の電極と前記２枚の電極間に挟持された電解質板からなるセルと、前記セルの両面を挟持するセパレータと、前記セルに反応ガスを供給するためのガス流路としてセパレータの厚さ方向に貫通・形成された内部マニホールドと、２枚のセパレータ間に位置し、反応ガスが通過するように前記セパレータの内部マニホールド間を接続した内部マニホールドのガスシール構造とを有する溶融炭酸塩形の燃料電池において、前記ガスシール構造が、非多孔質で絶縁性のセラミックス製シール部材で構成され、前記シール部材は前記セパレータと機械的に接触し固着されていないことを特徴とする溶融炭酸塩形の燃料電池である。
これにより、溶融炭酸塩形の燃料電池の反応ガスが通過する内部マニホールドのガスシール構造が、セパレータの内部マニホールド間を接続する非多孔質で絶縁性のセラミックス製シール部材で構成され、この非多孔質のセラミックスからなるシール部材は、その表面が緻密になっていて孔はないので、シール部材のガスシール性が向上する。さらに、シール部材は前記セパレータと機械的に接触しているが固着されていないので、熱膨張によりシール部材とセパレータとが異なる熱膨張率により熱膨張した場合に、シール部材とセパレータとの相対位置がずれることによりシール部材の割れを防ぐことができる。また、前記シール部材は絶縁性であるので、前記セパレータ間が前記シール部材により電気的に接続されることはない。
【０００５】
さらに、請求項２記載の発明は、アノードとカソードの２枚の電極と前記２枚の電極間に挟持された電解質板からなるセルと、前記セルの両面を挟持するセパレータと、前記セルに反応ガスを供給するためのガス流路としてセパレータの厚さ方向に貫通・形成された内部マニホールドと、２枚のセパレータ間に位置し、反応ガスが通過するように前記セパレータの内部マニホールド間を接続した内部マニホールドのガスシール構造とを有する溶融炭酸塩形の燃料電池において、前記ガスシール構造が、非多孔質で絶縁性のセラミックス製シール部材と、当該シール部材と前記セパレータ間に存在させ、且つ当該燃料電池の動作温度において揮発性が低く、反応ガスに対するシール性を発揮する液体とから構成されていることを特徴とする溶融炭酸塩形の燃料電池である。
これにより、セパレータの内部マニホールド間を接続するようにして配置された非多孔質で絶縁性のセラミックス製シール部材と、当該シール部材とセパレータ間に存在させ、且つ当該燃料電池の動作温度において揮発性が低く、反応ガスに対するシール性を発揮する液体により反応ガスに対するシール性が向上する。
【０００６】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項２記載の溶融炭酸塩形の燃料電池であって、前記シール性を発揮する液体が、溶融炭酸塩であることを特徴とする溶融炭酸塩形の燃料電池である。
これにより、溶融炭酸塩は取り扱いが容易であるので、ガスシール構造の製造が容易になる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、溶融炭酸塩形の燃料電池の反応ガスのシール性を向上させることができ、溶融炭酸塩形の燃料電池の寿命を長くすることができる。
さらに、請求項２記載の発明によれば、反応ガスのシール性の向上の程度を改善することができる。
さらに請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果とともに、溶融炭酸塩形の燃料電池の製造が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明における実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池の正面を示し、図２は図１のＡ−Ａ断面を示し、図３は図２のＢ−Ｂ断面を示す。
【０００９】
図２に示すように、溶融炭酸塩形の燃料電池１０は、アノード１２とカソード１３の２枚の電極と、これら電極間に挟持された電解質板１４からなる第１セル１１と、この第１セル１１の両面（アノード１２、カソード１３間）を挟持する第１セパレータ２１および第２セパレータ２２と、第１セル１１に供給する反応ガスの流路を構成する第１セパレータ２１の厚さ方向に貫通するように形成された孔である内部マニホールド２１ａおよび第２セパレータ２２の厚さ方向に貫通するように形成された孔である内部マニホールド２２ａとを有する。
【００１０】
そして、反応ガスが通過する内部マニホールド２１ａ、２２ａのガスシール構造が、内部マニホールド２１ａと内部マニホールド２２ａを接続するようにして各セパレータ２１、２２間に配置された非多孔質で絶縁性のセラミックスで構成された第１シール部材３１で構成されている。この第１シール部材３１は、各セパレータ２１、２２と機械的に接触しているのみで、各セパレータ２１、２２に固着されていない。
各内部マニホールド２１ａ、２２ａは各セパレータ２１、２２に形成された貫通孔であり、リング状の第１シール部材３１の中心孔３１ａ（図３参照）が内部マニホールド２１ａと内部マニホールド２２ａ間を接続している。
各セパレータ２１、２２間は図示しない部材により締め付けられているので、この締め付け圧力により、第１シール部材３１はセパレータ２１、２２間に強固に保持される。
【００１１】
さらに、図２の二点鎖線で示すように、第２セパレータ２２と第３セパレータ２３（第１セパレータ２１と同様の構造を有している。）により第２セル１６（第１セル１１と同様のもの）を挟持するようにし、第１シール部材３１と同様の第２シール部材３２を第２セパレータ２２と第３セパレータ２３間に配置してもよい。さらに、図２と同様に図示しないセルおよびセパレータを積層して、単一のセル１１、１６等を直列に接続した構造の燃料電池１０を構成することができる。なお、各セパレータ２１、２２、２３等を導電性金属で構成すると、例えば第１セパレータ２１が第１セル１１のアノード１２に接続され、第２セパレータ２２が第１セル１１のカソード１３と第２セル１６の図示しないアノードを接続する。このようにして、単一の電池となるセル１１、１６等を直列に接続することができる。
【００１２】
なお、図１においては、第１セル１１の両側において５つずつの内部マニホールド２１ａがセパレータ２１に形成され、図２の内部マニホールド２２ａも、同様に５つずつの内部マニホールド２２ａがセパレータ２２に形成されている。反応ガスは上述のように燃料ガスおよび酸化剤ガスの２種類あるので、内部マニホールド２１ａ、２２ａは、例えば燃料ガス用のものと酸化剤ガス用のものが互に隣接するように形成されている。そして、燃料ガス用の内部マニホールド２１ａ、２２ａおよび酸化剤ガス用の内部マニホールド２１ａ、２２ａはそれぞれセパレータ２１、２２の内部に形成された流路により第１セル１１に導かれる。第２セル１６等においても同様である。
【００１３】
さらに、溶融炭酸塩は常温では固体であるが、水等の極性溶媒に溶解または分散して存在するので、水に溶かした溶融炭酸塩を第１シール部材３１の各セパレータ２１、２２に接触する部分に予め塗付しておくことができる。このようにすると、燃料電池１０の動作状態では、第１シール部材３１は約６５０℃の温度になり、この温度では、前記塗布された溶融炭酸塩は揮発性が低い液体になり、前記極性溶媒の水は蒸発する。この液状の溶融炭酸塩はその表面張力によりガスシール性がある。このことは、第２シール部材３２等においても同様である。
【００１４】
以上の構成の燃料電池１０は、以下の作用効果を奏する。
溶融炭酸塩形の燃料電池１０の反応ガスが通過する内部マニホールド２１ａ、２２ａのガスシール構造が、セパレータ２１、２２間に内部マニホールド２１ａ、２２ａを接続するようにして配置された非多孔質で絶縁性のセラミックス製の第１シール部材３１で構成されており、非多孔質のセラミックスからなる第１シール部材３１は、その表面が緻密になっていて孔はない。このため、第１シール部材３１のガスシール性が向上するので、燃料電池１０のガスシール性が向上する。第２シール部材３２等においても同様である。
【００１５】
さらに、第１シール部材３１は各セパレータ２１、２２と機械的に接触しているが固着されていないので、熱膨張により第１シール部材３１と各セパレータ２１、２２とが異なる熱膨張率により熱膨張した場合に、弾性変形しないが、第１シール部材３１と各セパレータ２１、２２との相対位置がずれることにより第１シール部材３１の熱応力による割れを防ぐことができる。さらに、第１シール部材３１と各セパレータ２１、２２との固着のための接着剤の剥がれによるガスシール性の低下がなく、第１シール部材３１の構造を単純にすることができるので、燃料電池１０の構造を単純にすることができる。このことは、第２シール部材３２等においても同様である。
以上により、燃料電池１０の製造時の不良品の発生を低減し、燃料電池１０の寿命を長くすることができる。
【００１６】
さらに、セパレータ２１、２２間に内部マニホールド２１ａ、２２ａを接続するようにして配置された非多孔質で絶縁性のセラミックス製の第１シール部材３１とセパレータ２１、２２との間に存在させた燃料電池１０の動作温度で揮発性が低い液体で反応ガスに対するシール性を発揮する液体（例えば溶融炭酸塩）によりガスシール性が向上する。このことは、セパレータ２２、２３と第２シール部材３２等との間においても同様である。また、溶融炭酸塩は取り扱いが容易であるので、前記シール性を発揮する液体として溶融炭酸塩を使用すると、ガスシール構造の製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池の正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０  燃料電池
１１  第１セル
１２  アノード
１３  カソード
１４  電解質板
１６  第２セル
２１  第１セパレータ
２１ａ  内部マニホールド
２２  第２セパレータ
２２ａ  内部マニホールド
２３  第３セパレータ
３１  第１シール部材
３２  第２シール部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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